一種新型複合材料的製作方法

2023-10-09 03:47:39

本發明屬於電子元器件
技術領域：
和材料製備
技術領域：
，具體涉及一種新型複合材料。
背景技術：
：混凝土廣泛應用於工業和民用建築、道路與橋梁工程、機場、港口與水利工程。混凝土結構建築物，特別是超大跨度橋梁、重點水利工程、重點體育場館、大型海洋平臺、核電站工程和高速鐵路建設等重大工程結構設計壽命一般長達數十年，甚至上百年。其間長期反覆承受各種荷載、酸雨等自然環境的長期侵蝕以及材質自身老化，不可避免地導致土木工程結構損傷，可能引起突發性災難，給人民的生命財產安全造成極大的損失。為此已開展了諸如工程結構群體健康監測關鍵技術研究、材料安全服役行為和新型功能材料製備基礎與性能調控相關方面的研究。重大土木工程結構實施健康監測與荷載控制技術已成為土木工程領域的熱點研究課題，是未來經濟建設和社會發展迫切需要解決的問題。高性能智能傳感元件是重大工程結構智能監測與健康診斷的重要組成部分。近年來，用作土木工程結構長期健康監測的傳感器主要有光纖傳感器和水泥基複合材料壓敏傳感器，光纖傳感器雖然耐久性和穩定性較好，但是價格高昂，難以大規模推廣使用。而水泥基複合材料壓敏傳感器由於埋設工藝簡單，耐久性好，與土木工程結構相容性好，價格低等優點，成為土木工程結構監測與健康診斷領域的熱點課題。以水泥(砂漿或混凝土)為基體的水泥基複合材料壓敏傳感器，複合部分是導電相，是藉助電學性質的變化反映其力學特性變化的複合材料。現有技術已對包括碳纖維、納米碳黑，碳納米管等導電性能進行了不同角度的嘗試。1993年，D.D.L.Chung教授及她的課題組提出了機敏混凝土(Smartconcrete)的概念。1996年，李卓球等研究表明，碳纖維水泥基複合材料在逐漸加壓直至破壞的過程中，其間的電阻率隨壓應力的增加呈現顯著下降、平穩過渡和迅速上升三個階段，這三個階段分別與碳纖維混凝土的彈性、塑性及崩潰三個階段相對應。2000年，歐進萍等提出開發小尺寸、精度高、可重複性好、造價低、耐久性好、埋設工藝簡單的標準碳纖維水泥石傳感器。將其埋設於混凝土構件中形成智能混凝土結構系統，具有耐久性好、造價低、與混凝土相容性好等優點。現有技術披露了用於水泥基體的納米材料填充材料有：納米SiO2，納米CaCO3，納米TiO2，碳納米管，納米炭黑和納米Fe2O3等。揭示了納米材料在水泥基體中的均勻分散以及對水泥基體微觀結構和宏觀性能的改善。碳家族的新成員石墨烯，是一種二維的sp2雜化的碳的同素異形體，是最薄的材料-單原子厚度的材料。石墨烯具有優異的電學性能，熱學性能,超高的比表面積，楊氏模量和斷裂強度等一系列優異的性質。石墨烯作為一種高性能的聚合物填充材料，可以顯著提高聚合物的導電性、導熱性和機械性能。申請號為201310233476.5、名稱為「一種氧化石墨烯水泥基複合材料應力傳感器」的專利文件中公開了一種結構工程監測用應力傳感器，此傳感器部件是添加0.02%氧化石墨烯的氧化石墨烯水泥基複合材料製備的。但是，雖然石墨烯具有很強的導電能力，但是氧化石墨烯幾乎沒有導電能力，作為石墨烯的衍生物，表面含有大量的含氧官能團，π電子結構被破壞，導電能力幾乎喪失。僅添在添加0.02%的氧化石墨烯下，水泥石的導電能力提高很少，氧化石墨烯水泥基複合材料無法發揮應力傳感器的作用。專利號為ZL200710072474.7、名稱為「一種壓敏水泥基複合材料」的發明專利公開了一種用於解決力-電耦合效應靈敏度低及受溼度影響大、基體極化易影響電學信號測試等缺陷的壓敏水泥基複合材料，此材料為由含有1%-80%的功能組分(鎳粉、碳纖維、碳黑、石墨、鋼渣中的一種或幾種的混合物)與水泥基材料組成的複合材料，但用於製備水泥基智能材料時工藝複雜或加入量大、成本高或與水泥基體相容性差的缺陷嚴重製約了水泥基智能材料的應用。本發明人經長期觀察、研究、分析發現需要提供一種對水泥基材的導電成分種類、分散性進一步優化的技術來克服現有技術存在的以下不足的技術方案：（1）碳化矽纖維在水泥基體中的分散性差，填充物與基體相容性不好，初始電阻率和應力感知能力離散高等缺陷；（2）具有很高長徑比的碳化矽納米管在水泥基體中容易纏繞，疏水的表面化學特性導致在水泥基體中的分散性差，最終導致微觀結構和性能的均一性差；（3）納米SiO2或納米CaCO3雖然對改善水泥基體微觀結構和力學性能有重要貢獻，但是不能發揮水泥基複合材料的功能性，同時納米材料的團聚性也可能導致基體強度下降。技術實現要素：本發明提供一種新型複合材料，以解決現有壓敏傳感器用複合材料製備工藝複雜、成本高、應力感知能力和靈敏度低，穩定性差等問題。本發明的新型複合材料具有抗壓強度、抗折強度大，應力感知能力高，穩定性好，靈敏度高等優點。為解決以上技術問題，本發明採用以下技術方案：一種新型複合材料，以重量為單位，由以下原料製成：水泥110-190份、建築廢棄土粉8-15份、煤灰粉8-13份、鹼性白土7-10份、二維碳材料20-24份、碳化矽纖維10-15份、玻璃纖維6-10份、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑0.4-0.6份、三乙烯二胺·六水催化劑0.4-0.6份、混凝土發泡劑0.5-0.7份、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑0.4-0.8份、矽酮醯胺穩泡劑0.2-0.4份、乳化矽油消泡劑0.2-0.4份、己烯基雙硬脂醯胺分散劑0.5-0.8份、過氧化二異丙苯交聯劑0.6-0.9份、聚合硫酸鋁聚凝劑0.3-0.5份、701粉強化劑0.1-0.2份、乙二醛15-20份、雙氧水20-30份、水500-800份；所述新型複合材料的製備方法，包括以下步驟：S1：用濃度為10%-14%的鹽酸浸泡碳化矽纖維4-10h，然後用水衝洗至pH為6.8-7.2，製得酸化碳化矽纖維；S2：將水泥、建築廢棄土粉、煤灰粉、鹼性白土、二維碳材料、乙二醛、雙氧水、水在轉速為100-400r/min下攪拌10-30min，製得漿料；S3：將步驟S1製得的酸化碳化矽纖維、步驟S2製得的漿料、玻璃纖維、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑、三乙烯二胺·六水催化劑、混凝土發泡劑、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑、矽酮醯胺穩泡劑、乳化矽油消泡劑在溫度為140-180℃，轉速為90-140r/min下攪拌3.5-5h，製得泡沫液；S4：將步驟S3製得的泡沫液、己烯基雙硬脂醯胺分散劑、過氧化二異丙苯交聯劑、聚合硫酸鋁聚凝劑、701粉強化劑在溫度為85-92℃，轉速為150-180r/min下攪拌2.5-3.5h，裝模，烘乾至含水量≤4%，製得新型複合材料。進一步地，所述建築廢棄土粉和煤灰粉的目數均為200-400。進一步地，所述鹼性白土為納米級鹼性白土。進一步地，所述二維碳材料為石墨烯。進一步地，所述碳化矽纖維的長度為0.1-2.8mm。進一步地，所述玻璃纖維的長度為0.4-2.5mm。進一步地，所述雙氧水的濃度為28%-32%。本發明具有以下有益效果：（1）本發明的新型複合材料抗壓強度達到123.04MPa以上，抗折強度達到26.47以上，附著力為靈敏度達到2.13%/MPa以上，電阻率達到42.65以下，變異係數達到0.025以下，現有技術相比，本發明的新型複合材料具有抗壓強度、抗折強度大，應力感知能力高，穩定性好，靈敏度高等優點；（2）採用本發明的新型複合材料製成的壓敏傳感器具有初始電阻率穩定、應力感知能力高、傳感器靈敏度高、穩定性好等優點；（3）採用建築廢棄土粉、煤灰粉作為本發明的新型複合材料的原材料，不僅可以降低生產成本，而且可以為建築廢棄土粉、煤灰粉的有效處理提供新途徑。【具體實施方式】為便於更好地理解本發明，通過以下實施例加以說明，這些實施例屬於本發明的保護範圍，但不限制本發明的保護範圍。在實施例中，所述新型複合材料，以重量為單位，由以下原料製成：水泥110-190份、建築廢棄土粉8-15份、煤灰粉8-13份、鹼性白土7-10份、二維碳材料20-24份、碳化矽纖維10-15份、玻璃纖維6-10份、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑0.4-0.6份、三乙烯二胺·六水催化劑0.4-0.6份、混凝土發泡劑0.5-0.7份、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑0.4-0.8份、矽酮醯胺穩泡劑0.2-0.4份、乳化矽油消泡劑0.2-0.4份、己烯基雙硬脂醯胺分散劑0.5-0.8份、過氧化二異丙苯交聯劑0.6-0.9份、聚合硫酸鋁聚凝劑0.3-0.5份、701粉強化劑0.1-0.2份、乙二醛15-20份、雙氧水20-30份、水500-800份；所述建築廢棄土粉和煤灰粉的目數均為200-400；所述鹼性白土為納米級鹼性白土；所述二維碳材料為石墨烯；所述碳化矽纖維的長度為0.1-2.8mm；所述玻璃纖維的長度為0.4-2.5mm；所述雙氧水的濃度為28%-32%；所述新型複合材料的製備方法，包括以下步驟：S1：用濃度為10%-14%的鹽酸浸泡碳化矽纖維4-10h，然後用水衝洗至pH為6.8-7.2，製得酸化碳化矽纖維；S2：將水泥、建築廢棄土粉、煤灰粉、鹼性白土、二維碳材料、乙二醛、雙氧水、水在轉速為100-400r/min下攪拌10-30min，製得漿料；S3：將步驟S1製得的酸化碳化矽纖維、步驟S2製得的漿料、玻璃纖維、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑、三乙烯二胺·六水催化劑、混凝土發泡劑、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑、矽酮醯胺穩泡劑、乳化矽油消泡劑在溫度為140-180℃，轉速為90-140r/min下攪拌3.5-5h，製得泡沫液；S4：將步驟S3製得的泡沫液、己烯基雙硬脂醯胺分散劑、過氧化二異丙苯交聯劑、聚合硫酸鋁聚凝劑、701粉強化劑在溫度為85-92℃，轉速為150-180r/min下攪拌2.5-3.5h，裝模，烘乾至含水量≤4%，製得新型複合材料。實施例1一種新型複合材料，以重量為單位，由以下原料製成：水泥150份、建築廢棄土粉12份、煤灰粉10份、鹼性白土8份、二維碳材料22份、碳化矽纖維12份、玻璃纖維8份、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑0.5份、三乙烯二胺·六水催化劑0.5份、混凝土發泡劑0.6份、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑0.6份、矽酮醯胺穩泡劑0.3份、乳化矽油消泡劑0.3份、己烯基雙硬脂醯胺分散劑0.6份、過氧化二異丙苯交聯劑0.8份、聚合硫酸鋁聚凝劑0.4份、701粉強化劑0.1份、乙二醛18份、雙氧水25份、水650份；所述建築廢棄土粉和煤灰粉的目數均為200-400；所述鹼性白土為納米級鹼性白土；所述二維碳材料為石墨烯；所述碳化矽纖維的長度為0.1-2.8mm；所述玻璃纖維的長度為0.4-2.5mm；所述雙氧水的濃度為30%；所述新型複合材料的製備方法，包括以下步驟：S1：用濃度為12%的鹽酸浸泡碳化矽纖維7h，然後用水衝洗至pH為7，製得酸化碳化矽纖維；S2：將水泥、建築廢棄土粉、煤灰粉、鹼性白土、二維碳材料、乙二醛、雙氧水、水在轉速為300r/min下攪拌20min，製得漿料；S3：將步驟S1製得的酸化碳化矽纖維、步驟S2製得的漿料、玻璃纖維、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑、三乙烯二胺·六水催化劑、混凝土發泡劑、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑、矽酮醯胺穩泡劑、乳化矽油消泡劑在溫度為160℃，轉速為120r/min下攪拌4.5h，製得泡沫液；S4：將步驟S3製得的泡沫液、己烯基雙硬脂醯胺分散劑、過氧化二異丙苯交聯劑、聚合硫酸鋁聚凝劑、701粉強化劑在溫度為88℃，轉速為160r/min下攪拌3h，裝模，烘乾至含水量為4%，製得新型複合材料。實施例2一種新型複合材料，以重量為單位，由以下原料製成：水泥110份、建築廢棄土粉8份、煤灰粉8份、鹼性白土7份、二維碳材料20份、玻璃纖維6份、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑0.4份、三乙烯二胺·六水催化劑0.4份、混凝土發泡劑0.5份、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑0.4份、矽酮醯胺穩泡劑0.2份、乳化矽油消泡劑0.2份、己烯基雙硬脂醯胺分散劑0.5份、過氧化二異丙苯交聯劑0.6份、聚合硫酸鋁聚凝劑0.3份、701粉強化劑0.1份、乙二醛15份、雙氧水20份、水500份；所述建築廢棄土粉和煤灰粉的目數均為200-400；所述鹼性白土為納米級鹼性白土；所述二維碳材料為石墨烯；所述碳化矽纖維的長度為0.1-2.8mm；所述玻璃纖維的長度為0.4-2.5mm；所述雙氧水的濃度為28%；所述新型複合材料的製備方法，包括以下步驟：S1：用濃度為10%的鹽酸浸泡碳化矽纖維10h，然後用水衝洗至pH為6.8，製得酸化碳化矽纖維；S2：將水泥、建築廢棄土粉、煤灰粉、鹼性白土、二維碳材料、乙二醛、雙氧水、水在轉速為100r/min下攪拌30min，製得漿料；S3：將步驟S1製得的酸化碳化矽纖維、步驟S2製得的漿料、玻璃纖維、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑、三乙烯二胺·六水催化劑、混凝土發泡劑、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑、矽酮醯胺穩泡劑、乳化矽油消泡劑在溫度為140℃，轉速為90r/min下攪拌5h，製得泡沫液；S4：將步驟S3製得的泡沫液、己烯基雙硬脂醯胺分散劑、過氧化二異丙苯交聯劑、聚合硫酸鋁聚凝劑、701粉強化劑在溫度為85℃，轉速為150r/min下攪拌3.5h，裝模，烘乾至含水量為3%，製得新型複合材料。實施例3一種新型複合材料，以重量為單位，由以下原料製成：水泥190份、建築廢棄土粉15份、煤灰粉13份、鹼性白土10份、二維碳材料24份、碳化矽纖維15份、玻璃纖維10份、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑0.6份、三乙烯二胺·六水催化劑0.6份、混凝土發泡劑0.7份、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑0.8份、矽酮醯胺穩泡劑0.4份、乳化矽油消泡劑0.4份、己烯基雙硬脂醯胺分散劑0.8份、過氧化二異丙苯交聯劑0.9份、聚合硫酸鋁聚凝劑0.5份、701粉強化劑0.2份、乙二醛20份、雙氧水30份、水800份；所述建築廢棄土粉和煤灰粉的目數均為200-400；所述鹼性白土為納米級鹼性白土；所述二維碳材料為石墨烯；所述碳化矽纖維的長度為0.1-2.8mm；所述玻璃纖維的長度為0.4-2.5mm；所述雙氧水的濃度為32%；所述新型複合材料的製備方法，包括以下步驟：S1：用濃度為14%的鹽酸浸泡碳化矽纖維4h，然後用水衝洗至pH為7.2，製得酸化碳化矽纖維；S2：將水泥、建築廢棄土粉、煤灰粉、鹼性白土、二維碳材料、乙二醛、雙氧水、水在轉速為400r/min下攪拌10min，製得漿料；S3：將步驟S1製得的酸化碳化矽纖維、步驟S2製得的漿料、玻璃纖維、萘磺酸鈉甲醛聚合物減水劑、三乙烯二胺·六水催化劑、混凝土發泡劑、丙烯酸酯類發泡調節劑發泡調節劑、矽酮醯胺穩泡劑、乳化矽油消泡劑在溫度為180℃，轉速為140r/min下攪拌3.5h，製得泡沫液；S4：將步驟S3製得的泡沫液、己烯基雙硬脂醯胺分散劑、過氧化二異丙苯交聯劑、聚合硫酸鋁聚凝劑、701粉強化劑在溫度為92℃，轉速為180r/min下攪拌2.5h，裝模，烘乾至含水量為2%，製得新型複合材料。檢測實施例1-3製得的新型複合材料的性能，結果如下表所示。實施例抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）靈敏度（%/MPa）電阻率變異係數（%）1127.6728.692.4840.810.0212123.0426.472.1342.650.0253134.5131.013.1839.220.018由上表可知：本發明的新型複合材料抗壓強度達到123.04MPa以上，抗折強度達到26.47以上，附著力為靈敏度達到2.13%/MPa以上，電阻率達到42.65以下，變異係數達到0.025以下，說明本發明的新型複合材料性能優。以上內容不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明，對於本發明所屬
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定的專利保護範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp